资料来源：返回公园
作者：李洁新(前美国宇航局航天任务科学家)
不到火星非好汉
《史记》已经说得很清楚了：“虽然有未来，但我们必须看到闪烁的地方。”关注火星是中华民族历史上一种永恒的情感。中国在月球上为嫦娥和玉兔建造了广寒宫，还想把红色的火星和关云长的赤兔联系起来。中国的嫦娥和玉兔已经成功登陆月球，但下一步是去火星。火星很远，在月球和火星着陆所需的空间技术存在质的差异。第一个需要去火星的人造物品是一个高推力的火箭。1986年，在经济起飞之前，中国开始计划这种大型火箭的初步演示和解决关键问题。经过20年的艰苦研发，它终于能够在2006年10月开始制造这种火箭。
人类火星探索的家庭照片。粗略估计，成功或失败是平分的。感谢美国行星学会的戴维斯先生授权出版《信用：美国行星学会的杰森戴维斯先生许可的出版物》新世纪中国经济和其他方面的崛起是人类文明史上的奇迹。只有当中国富裕和强大的时候，它才能开发出这种强大的火箭，达到当今世界的最高水平。这种火箭有两个高层次的要求。首先，它的推力应该达到25吨的低地球轨道能力，比长征二号高三倍；其次，这种火箭应该使用“非自燃”无毒推进剂。
第一个要求很容易理解。一枚火箭必须在低地球轨道上有25吨的推力才能将其有效载荷发送到遥远的火星。第二个要求更重要。对于推力如此巨大的火箭，使用剧毒自燃推进剂“四氧化二氮/偏二甲肼”是不好的。对于一个在国际空间科学技术上处于领先地位的大国来说，最受尊敬的选择是低温液态氢和液氧火箭推进燃料。氢氧燃烧的产物是水，对地球环境无害。然而，低温液态氢和液氧燃料的比重较低，其产生的推力小于相同体积的四氧化二氮/偏二甲肼燃料。为了使火箭能够承载更大的载荷，这种大型火箭的发射地点越靠近赤道，就越能获得地球自转速度所带来的额外载荷。因此，中国把这个火箭航天发射场命名为“长征五号”，也叫“法五号”，在文昌市，海南岛东北角，中国的最南端。为了交通方便，火箭制造厂自然位于天津。
“十年磨一剑，霜刃从未试过”。2016年11月3日，“庞武”号首次在文昌航天发射场成功发射。通常，一种新型火箭需要三个锤子来设定声音。在2017年7月的第二次试射中，第一枚火箭的液氢氧发动机运行异常，45分钟后发射失败。2019年12月27日，“盘古”号第三次发射，“石坚-20”号实验通信卫星成功送入赤道地球静止轨道。经过13年的吊梁和插杆，从中国到火星探索的高速公路终于铺好了。
中国的低温液态氢和液氧燃料火箭“长征五号”，也被称为“胖五号”，经过30多年的研发，于2019年12月27日成功进行了测试，三把锤子奠定了基调。|信用：创意共享空间尝试4.0国际，水声中国需要自己独立创造的火星火箭来执行自己的火星探索任务。2011年11月，中俄合作项目“火卫一着陆”是俄罗斯发射的一枚火箭，中国在火箭上提供了一颗火星轨道卫星。中国在2011年没有火星火箭，但这也是一个实践火星任务所需技术的难得机会，火星任务不需要火箭。这些技术可以包括：将火星送入轨道，打开太阳能电池板和通信天线，发展地面和火之间的远程通信，以及拍摄火星表面的照片等。然而，这种中俄合作是由于俄罗斯的失败
2019年初，“胖五”进展顺利。1月11日，中国在固体火星火箭的基础上正式向世界宣布，“火星，我来了！”
中国决定在2020年火星发射窗口开放期间，于7月23日携带“田文一号”和“胖五号”(下表显示了火星“冲”的日期以及此时地面和火之间的距离)。
“冲刺”日期/地球和火星之间的距离
从2003年8月28日到2018年7月27日，地球和火星在它们的椭圆轨道上“飞奔”。
前往火星的宇宙飞船将在地球落后火星44度时启动，并在259天内穿过太阳到达火星。当飞船进入火星时，地球已经到达火星前方75度。当地球落后火星44度时，地球的发射窗口会打开大约30天。中国的“田文一号”任务包括轨道卫星、着陆器和火星探测器。轨道卫星相机的分辨率可分为两个级别：中分辨率和高分辨率。在400公里的高度，可以清楚地看到小到2米的表面物体。这颗卫星还搭载了一台磁力计、一台矿物成分分光计、一台火星离子和中性粒子分析仪以及一台轨道穿透火星表面雷达。火星漫游者装备有100米地面穿透雷达、多光谱照相机、磁力计、气象仪器、表面复合探测器和导航照相机。如果这些仪器能够在火星任务中正常工作，中国的火星科学家和工程师可以在国际同行评议的期刊上发表数百篇论文。
中国火星探测器示意图|信用：CICPHOTO，仅举一例，田文一号的轨道卫星和地面的探测器都带有磁力计。1975年，美国宇航局发射的第一个火星探测器“海盗一号”测量到火星磁场非常弱，是地球磁场的万分之一。虽然火星的磁场很弱，但它来自欺骗，这可能是一个区域性的局部现象。田文一号在天与地同时测量，肯定会绘制出更详细的火星磁场分布图。
“田文一号”不仅期待获得在火星着陆和运行的实际经验，而且也在为2030年在中国的火星双向取样任务做准备。火星漫游者很可能会发现一块最适合送回地球的火星矿石，标出发现地点的经纬度，甚至练习打包过程，等待地球物流快递在2030年提货。
中国首次火星任务的成功必须满足几个严格的要求：首先，“胖五号”必须将“田文一号”送入火星轨道；第二，漫游车必须成功着陆。日本的第一次任务甚至没有赶上火星。然而，印度是聪明的，回避的，成功的，并且将只尝试火星轨道卫星。成功入轨后，它将被广泛宣传。欧洲航天局进行了两次火星任务，轨道卫星成功了，但是着陆器都失败了。
进入火星轨道不容易，登陆火星更难。经过30多年的研究和发展，中国的“胖五”应该已经创造了一个不可摧毁的身体，把“田文一号”送入火星轨道应该在合理的预期之内。登陆火星是墨菲先生的专利。有一个小错误。墨菲先生必须把它拿出来，放大，不要表现出任何怜悯。他永远不会放弃，直到汽车被摧毁。着陆是火星任务中最困难的部分。通过成功登陆火星的燃烧，中国将获得作为航天科技强国的印度航空协会(DIA)会员卡。目前，只有美国有钻石卡会员，而俄罗斯曾五次试图登陆火星，但只有火星三号勉强成功。着陆90秒后，仪器只工作了20秒。因此，俄罗斯只能获得银卡资格。
中国登陆火星有两种选择。经过反复论证，2019年9月，决定放弃黄金平原，将乌托邦平原作为登陆的首选。乌托邦平原是火星和太阳系中最大的陨石盆地，直径3300公里，是火星直径的一半。它也是1976年海盗二号的登陆点。
人类登陆火星最强大探测器的分布图。新一代仪器的主要目的是实现21世纪火星探测的“跟水走”战略。|信用：美国国家航空航天局/JPL中国的火星着陆采用了软着陆，在火星大气中使用超音速降落伞和反射火箭。当航行和进入火星大气层时。着陆是火星任务中最困难的部分。通过成功登陆火星的火焰燃烧，中国将获得DIA会员卡的不确定性，这是一个航天科技强国。着陆椭圆范围为40公里 100公里，是1996年美国火星探路者号着陆椭圆面积的五分之一，但却是美国最先进的火星科学实验室新一代全范围反射火箭控制的着陆椭圆面积的29倍。中国在乌托邦平原有两个候选着陆点，美国的MRO/HiRISE专门为火星乌托邦平原的一个可能着陆点拍摄了高清图像。
美国的MRO/HiRISE是中国在火星乌托邦平原上可能的着陆点之一拍摄的一张高清晰图像。"学分：美国宇航局/JPL/亚利桑那大学
2020年1月23日，中国宣布“庞武”号在100秒内完成了液氢液氧火箭发动机的最后一次点火试验。通过这一严格的验收后，“田文一号”就可以组装了。中国的火星任务着火了。
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2020年的火星发射窗口将于7月初开启。除了中国，美国和阿联酋也抓住了火星探索的机会，展示了他们的神奇力量。作者在这里不再直截了当地陈述，只挑选一些有趣的。
“火星2020”任务花费了美国纳税人21亿美元，将搭载“坚忍”号探测器。它计划于7月30日离开，并于2021年2月在海盗二号西南约3300公里处的“杰泽罗陨石坑”着陆。主要任务是寻找古代生命的迹象，并为火星精心设计一个实用的双向取样任务。虽然火星的大气层很薄，不到地球的1%，而且似乎无法支撑飞机所需的浮力，但这次美国将派出一架小型直升机在火星表面测试燃气飞机的可行性。
迷你“火星直升机侦察”与美国“毅力”探测器着陆示意图(远离背景)。|信用：美国航天局/JPL
美国历史上所有火星探测器的概述。好奇心和洞察力仍在发挥作用，火星2020将于2021年2月18日在海盗二号西南约3300公里处的杰泽罗陨石坑着陆。|信用：美国国家航空航天局/JPL火星双向取样任务极其困难且成本高昂。从2020年开始，漫游者将被用于在火星上进行实地研究。如果成功，那将是2030年以后。双向采样任务是人类科技文明的突破性成果。每个科技大国都想在触地得分上领先，但仍处于领先地位。正如我们常说的，这是一个自由的世界，这是一个广阔的宇宙，所以让我们都尽情享受，自由销售。
事实上，人类努力探索火星，埋藏在他们心中最深的梦想是希望有一天人类能够登陆火星。让我们不要谈论移民，只要我们能亲自去参观，我们就会满意。人类登陆火星的难度是无与伦比的。随着作者在科学技术上的突破，许多诺贝尔奖的成绩是无与伦比的。
人类登陆火星的道路上有许多邪恶的影响。首先，人们在旅途中应该长时间暴露在强烈的空间辐射环境中。然后是失重、水分流失、骨质疏松、肌肉流失和旅途中人体免疫系统减弱。到达火星后，如果是“联合”任务，它将停留至少455天，等待返回发射窗口打开。在逗留期间，环境控制和生命支持系统不得出现故障。虽然至少有四名宇航员一起旅行，但仍然会有一种遥远、无助和孤独的感觉。当人类第一次登上火星时，一定是军队不动了，食物和燃料先走了。但是，关键零件的材料可能偶尔会短缺，必须用当地材料进行补充。在火星上生活455天可能需要从地球上带来益生菌和噬菌体。
让我们来谈谈空间辐射。部分空间辐射来自太阳，如“太阳粒子事件”。但是最猛烈的部分来自宇宙，这就是所谓的宇宙射线。人类的祖先能够在地球上健康地进化，这一切都得益于地球磁场和大气的保护，从而避免了空间辐射对人类染色体基因的损害。辐射剂量的单位是以西弗计算的。人类一生中能承受的总辐射剂量是1西弗。人类的火星之旅耗时2592=518天，已经暴露在宇宙射线下将近一年零五个月。尽管太空舱被10厘米厚的水墙包围着，它仍然不能隔离具有极高能量的宇宙射线。据估计，在前往火星的旅途中，宇航员将遭受250毫西弗的辐射，也就是来回500毫西弗，这已经消耗了人体一生所能承受的剂量的一半。因此，宇航员在一生的太空生涯中只能往返火星一次！
人很懒，但是身体里的细胞更懒。在火星之旅的微重力环境下，骨骼和肌肉细胞会立即发现它们不必努力工作来支撑地球在重力下的重量，因此它们会立即减少产量。八个多月后，骨质疏松症和肌肉萎缩就会发生。其他生理功能也增加了混乱。在微重力条件下，储存在两条大腿中的体液开始均匀分布到全身。对于上半身来说，一般的体液会造成充水现象，所以人体会大量排水，结果只能让95%的体液保持在正常重力状态下，使身体处于严重失水状态(注：对于一个75公斤的宇航员来说，5%的排出体液约为3000毫升)。体液越少，红细胞和白细胞的数量相对减少，身体的免疫系统也相应减弱。人体长时间处于微重力状态，甚至基因转换和蛋白质产生机制也会改变约5%。幸运的是，人类已经在空间站的微重力环境中连续生活了近20年，并且发现撞击练习可以减缓微重力环境对人体的危害。因此，去火星的宇航员必须每天佩戴结实的橡皮筋，并在太空舱里做4小时的脉冲运动。
人类已经尽最大努力规划未来30年登陆火星所需的科学技术以及在太空环境中工作、生活和生活的各种设备。美国的太空战略由白宫控制，其使命往往沦为政客的短期政治筹码。人类登陆火星的计划需要跨越现实的政治时空尺度，在艰难多变的政治生态环境中稳步前进。
下图是由美国宇航局开发的人类登陆火星的视觉地图，它最强大，也最符合科学和工程逻辑。中间上面的两枚火箭是美国为登陆火星而设计的特殊火箭。上面较小的一个是25吨的低地球轨道推力水平，命名为“战神一号”，其推力相当于“胖五号”，但它是一个载人火箭，其成本至少是十倍以上的非载人火箭。下面是一枚188吨的低地球轨道推力级货运火箭，名为“战神五号”。目前，这两枚火箭仍在仓库中冬眠，耐心等待外部政治环境的恢复，然后穿着战袍出去。
人类登陆火星的视觉地图|信用：美国宇航局/JPL火星和地球之间的距离可近至5500万公里，在“大奔”中约为0.37天文单位，远至2.5天文单位，双向通信需要370-2500秒，即约6-40分钟。因此，与火星的通信有很长的时间延迟，并且信息基本上是过去时态。人类发送到火星的所有探测器都使用人工智能进行全自动操作，只有在某些设计的关键时刻，特殊的操作程序才需要由地球基地启动指令来执行。目前，排列在火星轨道上的几颗卫星基本满足了地面仪器“好奇号”、“洞察号”和“恒心号”对火地接力通信的要求。
目前，人类在火星轨道上部署的几颗卫星基本满足地面仪器的火地中继通信要求。|信用：美国宇航局/JPL地球和火星以及其他外层空间之间的通信需要24小时畅通无阻。然而，由于地球的自转，在任何时候，超过一半的空间都在单一无线电视线范围之外。因此，人类必须在地球周围每隔120个经度建立一个深空联系站，以相互支持，满足与火星24小时不间断通信的需求。美国已经建立了三个主要的“深空联络设施”，一个在加利福尼亚州南部沙漠的黄金柊司，另一个在西班牙的马德里，第三个在澳大利亚首都坎培拉的郊区。1998年和2013年，在特殊安排下，作者参观了堪培拉和戈尔德柊司的深空联络设施。
经过特别安排，作者于1998年和2013年参观了位于坎培拉(右下角)和黄金柊司的“深空联络设施”。这两个无线电天线直径分别为72米和70米。|信用：美国国家航空航天局/JPL中国的“田文一号”，就像嫦娥为“玉兔”准备的“鹊桥”卫星一样，也有自己特殊的轨道通信卫星用于地面漫游者，这将是最新的火与地之间的中继卫星。如有必要，它将能够与美国和欧洲的卫星互相帮助，并通过“深空联络设施”增强人类的空地通信能力。
